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生物传热基础

题目：生物组织传热红外热成像的三维温度场重建

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【最新整理，下载后即可编辑】 生物组织传热红外热成像的三维温度场重建

红外热成像技术作为新型的非接触测温方法，具有无损、快捷、方便的特点，并且可以利用计算机技术对生物组织内部温度场进行三维重构。采用基于红外热成像的无损测温方法，获取模拟生物组织的分层仿生体模的红外热辐射温度信息，然后对该信息进行灰度变换和伪彩色处理，生成红外热像图，并在此基础上采用体绘制光线投射算法进行温度场三维重建。

温度场三维重建方法如下文所述：

1.生物组织传热

本文采用Pennes传热方程，其一般形式为：

rmbbbtqqTTcTkTc)(2其中

式中ρ、tc、k分别为生物组织的密度、比热容和热传导率，τ为加热时间，b为加热区域内加热时的血流速率，bc为血液的比热容，Tb为血液的温度，qm为生物组织代谢产热率，qv为外加热源的生热率。

仿生物组织的假设：1）假定生物组织的热学参数不随温度变化；2）生物组织均匀且各项同性；3）加热前温度分布均匀。Pennes方程可以简化为

rtqTkTc2

2.红外辐射与温度测量

根据红外辐射的原理，红外光具有很强的温度效应，由红外热像仪被动获得生物组织红外辐射的温度值。同时，由于生物组织的特性，红外热像仪探测到的温度值无法通过显示器直接显示，因而需要先将测量到的温度值根据公式转换为人眼能够感知的灰度值范围(0~255)，也可以根据需要进行分段线性灰度转换，

【最新整理，下载后即可编辑】 然后再进行伪彩色处理，则显示为红外热像图。

255 if T>Tmax

255minmaxminTTTT if Tmin

0 if T

3.三维温度场的重建

光线投射算法是一种以图像为序的体绘制技术。它对体数据集进行计算和三维显示，执行采样、着色和融合操作。首先，在采样过程中，从最终的成像平面上发出一条光线，沿着光线路径穿过体数据集，以等间隔的步长进行采样，采样时可以通过与相邻的8个象素进行三线性插值。光线的参数化方程为

DIRtVtR)(

式中，V为视点，DIR为光线方向。t为步长参数。

第二步，在采样后，对每一个采样点执行着色操作,从而为每一个象素分配颜色和不透明度。设第i步采样点颜色如下：

])()([))((nsdiaiiHNkLNkckctRc

其中，ci为光源颜色，ka、kd和ks分别为吸收、散射和反射

【最新整理，下载后即可编辑】 系数，N、L、H分别为归一化的表面法向、光照方向和半角向量，n为光强指数。

最后，沿着光线采样点的着色结果进行融合操作，计算累积的颜色和不透明度。

iiiiiicAcc)1(1

iiiiAA)1(1

其中，Ci和Ai分别为当前融合点累积的颜色和不透明度，ci和αi为当前采样点的不透明度和颜色，Ai+1和Ci+1 为综合当前采样点后，融合输出的颜色和不透明度。

4.三维温度场计算的思考

本文依据红外热辐射的原理，采用红外热像仪接受红外信息并将其转换为温度值，然后采用伪彩色显示方法，并对分层体模的三维温度场进行光线投射重建，为热疗过程中生物组织内部三维温度场的测量、观测提供新的技术手段。

参考文献：

[1] 梁超英,钱志余.人体组织传热及应用研究.生物工程研究[J].2007.6:212-215

[2] 刘长春,杨静,于欣蕾.人体上臂温度场模拟及其实现[M].仪器仪表学报1999.2.20(1):78-80

[3] 马国军,江国泰,孙兵.生物组织传热红外热成像的三维温度场重建[J].14(30).2010.7:5615-5617

[4] 刘昆.生物组织热物性参数的测量方法及实验研究[D].华中科技大学2004.4：85-95

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生物物理学中的生物能量传递与利用

生物物理学中的生物能量传递与利用

生物物理学中的生物能量传递与利用

近年来，生物学、物理学、化学等交叉学科的发展引起了人们的高度关注。其中，生物物理学成为了引领生命科学前沿领域的重要学科之一。在生物物理学的研究中，生物能量传递与利用成为了一大研究热点。本文将从生物体内能量传递与利用的基本原理、代表物种与研究进展等方面进行探讨。

1. 生物体内能量传递与利用的基本原理

生物能量传递与利用涉及的基本物理原理包括热力学第一定律、热力学第二定律、斯托克斯-爱因斯坦方程、离子通道理论等。通过这些基本原理的应用，科学家们逐渐了解了生物体内能量传递的机制。

热力学第一定律指出能量守恒原理，即能量不会凭空消失，也不会从空气中获得。生物体内能量的转化同样遵守这个定律。在生物体系中，能量来源主要包括光合作用、有机物质的降解、有机物的合成等。生物体内能量传递的方式主要有两种：一种是光合作用，另一种是细胞呼吸。

光合作用是只有植物、藻类、某些细菌等生物才具有的生理功能。在光合作用过程中，植物、藻类等绿色生物会利用太阳能合成葡萄糖等有机物，同时释放氧气。储存的有机物质会参与到植物生长发育等过程中，并成为其生存与生长的重要基础。

另一种能量传递方式是细胞呼吸，这个过程是所有生物体都具有的功能。由于所有的生物体都需要能量来维持生命活动，因此所有的细胞都要进行呼吸过程，以获得必要的能量。在这个过程中，有机物质会被分解为CO2和H2O，释放出能量。这里，氧气充当着电子接受者的角色，接下来，通过“线粒体”中的氧化磷酸化等过程，细胞将能量进一步转化为膜电位和ATP，从而使细胞得以存活和复制。

2. 代表物种

生物能量传递涉及到众多的生物物种，这些生物物种均在不同程度上利用自身的能源进行生存与生长。下面我们将介绍几个代表物种。

2.1 蓝藻

蓝藻是一种原生的细胞有机体，是疑似最早开始进行光合作用的微生物之一。蓝藻的光合作用是通过一系列复杂的电子传递及能量转移过程完成的。蓝藻的光合膜中含有不同种类的色素分子，其中，叶绿素b、叶黄素和类胡萝卜素等均能够吸收光能，开始光合作用过程。

传热学讲义第一章—导热理论基础

传热学讲义第一章—导热理论基础

1 第一章 导热理论基础

本章重点：准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念，准确掌握导热基本定律及导

热问题的基本分析方法。

物质内部导热机理的物理模型：（1）分子热运动；（2）晶格（分子在无限大空间里排列

成周期性点阵）振动形成的声子运动；（3）自由电子运动。

物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项，这几种机理在不同形态的物质中

所起的作用是不同的。

导热理论从宏观研究问题，采用连续介质模型。

第一节 基本概念及傅里叶定律

1-1 导热基本概念

一、温度场(temperature field)

（一）定义：在某一时刻，物体内各点温度分布的总称，称为即为温度场（标量场）。

它是空间坐标和时间坐标的函数。在直角坐标系下，温度场可表示为：

),,,(

zyxft （1-1）

（二）分类：

1．从时间坐标分：

① 稳态温度场：不随时间变化的温度场，温度分布与时间无关，0



t

，此时，

),,(zyxft。（如设备正常运行工况）

稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。

② 非稳态温度场：随时间而变化的温度场，温度分

布与时间有关，),,,(

zyxft。（设备启动和停车过程）

非稳态导热：在非稳态温度场中发生的导热。

2．从空间坐标分：

① 三维温度场：温度与三个坐标有关的温度场，





稳态非稳态

),,(),,,(

zyxftzyxft

② 二维温度场：温度与二个坐标有关的温度场，





稳态非稳态

),(),,(

yxftyxft

图1-1 等温线

a：平壁 b：圆筒壁

2 P

tt+t

t-tgrad t

q③ 一维温度场：温度只与一个坐标有关的温度场，





稳态非稳态，

)()(

xftxft

二、等温面与等温线

1

．等温面(isothermal surface)：在同一时刻，物体内温度相同的点连成的面即为等温面。

2

．等温线(isotherms)：用一个平面与等温面相截，所得的交线称为等温线。

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第一章 绪论

1.生物质（biomass）的概念: 自然界中有生命的、可以生长的各种有机物质, 以及由这些生命体所派生、排泄和代谢出来的各种有机物质。

2.植物生物质的元素组成: 主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。植物生物质主要由C.H、O、N、S这5种元素组成。(它们的含量约为: 碳50%、氢6%、氧43%、氮1%)

3、纤维素、半纤维素和木质素的定义: 纤维素是由D-吡喃式葡萄糖基通过1, 4-β苷键联结而成的均一的线状高分子化合物。

半纤维素是由两种或两种以上单糖基（葡萄糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基等）组成的非均一聚糖, 并且分子中往往带有数量不等的支链。

木质素是由苯基丙烷结构单元（即C6-C3单元）通过醚键、碳-碳键连接而成的具有三维空间结构的芳香族高分子化合物。

4.生物质中水分的种类 游离水: 在植物生物质的细胞腔或孔隙中的水分, 一般为多层吸附水或毛细管水。

结合水: 在植物生物质中与纤维素的羟基形成氢键结合的水。

热解水: 生物质中的有机质在热解过程中生成的水。

5.生物质的灰分：生物质的灰分是生物质中所有可燃物质完全燃烧以及生物质中的矿物质在一定温度下发生一系列分解、化合等反应后剩下的残渣, 主要由CaO、K2O、Na2O、MgO、SiO2.Fe2O3.P2O3等组成。

6.生物质挥发分：生物质在隔绝空气的条件下加热到一定温度, 并在该温度下停留一定时间, 其有机物质受热分解析出的气态产物, 即为挥发分, 包括饱和的和不饱和的芳香族碳氢化合物, 以及生物质中结晶水分解后蒸发的水蒸汽等。析出挥发分后余下的固体残余物称为焦碳或半焦。

7、生物质中的固定碳: 生物质出去“水分”“灰分”“挥发分”后的残留物。

8、生物质能的利用转化技术: 物理化学法、热化学法、生物化学法。

9、生物质的特点: 1.资源丰富2.品种多样3.用途广泛4.可再生5.低污染

热力学知识：热力学热力学传热和传质

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热力学是研究能量转换和传递的科学，其中包括热力学传热和传质。热力学传热和传质在热力学中具有重要的地位，是许多重要领域的基础。本文将介绍热力学传热和传质的概念、原理和应用。

一、热力学传热

1.概念

热力学传热是指在温度不同的两个物体之间，由高温物体向低温物体传递热量的过程。在热力学传热中，热的流动是通过传导、对流和辐射等方式进行的。

2.传导

传导是指热量通过物体内部的分子迁移方式传递，也就是热的共振传递。热传导和绝缘材料，例如玻璃，陶瓷和聚合物等密切相关。绝缘材料具有极低的导热系数，能够起到很好的隔热作用。

3.对流 对流是指热量通过物体内部的流体（气体或液体）传递，也就是流体自然或强迫对流传热。热的对流传递在许多工业和环境应用中具有重要的意义。

4.辐射

辐射是指物体通过空气和真空传达热量，这种方式通过辐射能量传热。热辐射传递在许多工业和环境应用中都是非常重要的。

二、热力学传质

1.概念

热力学传质是指由浓度高的物质向浓度低的物质传递的质量过程。在热力学传质中，质量的流动是通过扩散和对流等方式进行的。

2.扩散

扩散是指物质通过分子的自发传递方式来传递，在很多环境中都是非常重要的，例如水体中的营养物质或污染物。

3.对流 对流是指物质通过携带物质的流体（气体或液体）传递，这是一种较快的传质方式。对流过程在许多领域都具有重要的应用，例如化学工程和污水处理等。

三、应用

1.工业领域

热力学传热和传质在许多工业领域都是非常重要的。例如，化学过程需要控制化学反应速率和温度，而这些都需要通过对热力学传热和传质的控制来实现。

2.环境领域

热力学传热和传质也在环境领域中具有重要的意义，例如大气污染和水资源管理。热力学传热和传质可以用来控制污染物和营养物的传递，从而控制环境中的化学和生物反应。

3.生物领域

热力学传热和传质在生物领域中也有着广泛的应用，例如生物反应器和药物传递等。它们可以用来控制生物反应器中的温度和营养物传递，从而增加生物反应器的效率和稳定性。 总之，热力学传热和传质是热力学中非常重要的内容。它们在工业、环境和生物领域中都具有广泛的应用。通过对热力学传热和传质的理解和控制，我们可以实现更加高效和可持续的能源和化学生产过程。